发电用沼气/汽油双燃料电控发动机性能研究

蒋 晶，金 明，韦志康

(1.广西职业技术学院，南宁 530226;2.三一重工股份有限公司(湖南长沙)，长沙 410100；3.广西大学，南宁 530004 )

0 引言

随着世界石油资源的日趋减少，各国科学家和研究者都在探索替代石油的新型能源，而沼气是众多能源中公认的可再生清洁较理想的能源之一。据相关研究，到2020年，中国沼气产量可达270亿m3，相当于3 000万t原煤的数量[1]。而沼气发电是沼气最主要的用途之一，对开发可再生能源的意义十分重大。因此，将农村常用小型汽油机改进成沼气双燃料发动机进行发电。研究沼气汽油双燃料发动机的性能，以充分利用沼气资源对于缓解石油能源紧张的压力及环保等方面有着重要的实用价值。

目前，国外对沼气发动机应用技术较成熟，德国已根据功率大小、需求不同采用双燃料机组和纯沼气机组进行发电应用，英国已将沼气发动机应用于“Bio-Bug”的甲壳虫轿车上。国外进行了沼气在不同压缩比的双燃料发动机性能研究[2]，对沼气柴油双燃料发动机在喷油正时和压缩比方面进行了优化研究[3]。国内对柴油沼气双燃料发动机的研究开发较多，如甘肃农业大学在ZS1115 单缸柴油机的基础上进行改进设计，研究了沼气柴油双燃料发动机性能[4]。北京交通大学在改进后的单缸柴油机上进行了模拟掺烧氢的试验，对发动机的相关性能进行了对比研究[5]。富阳的李民等对常规柴油发电机组改装和调试后的沼气-柴油双燃料发动机的经济性及效益性方面进行了分析研究[6]。相对而言，我国对小型汽油双燃料发动机应用研究较少。在我国，通用小型汽油机产量较高，且传统的以化油器式的小型汽油机还比较广泛，特别是在一些农村地区，它们的主要用途用于发电。此类发动机排放恶劣，为减少对大气污染而又能较好地利用此类发动机，非常有必要对它进行研发改进。国内近几年已有对小型汽油发动机的性能改进进行了相关研究，如江苏大学王健等对168F发动机进气系统进行了优化设计改进，通过改变点火提前角等参数改善了原发动机的动力性和经济性能指标[7-8]。江苏大学刘胜吉对自主研发的168F电控燃油发动机进行了性能研究分析[9]。这些对小型汽油机改进成电控发动机后的性能或改进后的汽油沼气非电控发动机性能进行了研究分析，但缺少对小型汽油发动机改进成汽油沼气双燃料电控发动机性能方面的研究。

由于沼气的特性，纯沼气发动机启动性能欠佳，如能利用汽油进行引燃，或与汽油混合燃料，则启动性能更能突出。如果能充分利用电控发动机的控制优势，对汽油沼气双燃料电控发动机性能研究，在环保节能的发电产业促进方面有着重要的应用研究价值。为此，在对现有电控技术的研究基础上，改进原有168F汽油机进行改造成沼气汽油双燃油电控发动机，并对其综合性能进行了试验测试评比。

1 试验装置及研究方法

本试验是在168F汽油机的基础上进行改进的，试验用样机168F发动机的相关参数如表1所示。

表1 168F汽油机主要参数

对168F发动机的进气系统燃料供给系统进行改进，加装喷油器和喷气器等部件；利用自行研制的ECU装置对喷气和喷油进行控制；通过改变沼气的掺烧比率，测试样机的功率、燃油耗率及尾气排放数据，研究发动机的性能状况。试验用QF-12直流电力测功机进行功率测试，在测试之前可作启动机用，把发动机手拉启动变成电动启动。试验装置示意图如图1所示。

图1 试验装置示意图

2 试验及结果分析

建立汽油/沼气最佳掺烧比的数据库后，利用AT89S52单片机对由168F汽油发动机改装成的汽油/沼气双燃料发动机在不同工况下的最佳掺烧比进行控制。在相同工况条件下，利用自行设计的进气道喷射控制系统，以改装成的电控发动机为试验装置，分别用燃用汽油和沼气/汽油双燃料进行外特性试验及部分速度特性试验；最后，对发动机的前后综合性能进行对比分析。试验测试部分数据如表2所示。其中，能耗率就是发出每千瓦时的功所需要的热能值；发动机外特性即节气门开度开至100%位置时，发动机的动力性能、经济性能指标在额定转速范围内随转速n而变化的规律特性。

表2 沼气/汽油双燃料发动机外特性试验对比数据

2.1 动力性能能比较分析

据相关研究资料，转矩储备系数和适应性系数是评价发动机适应外界阻力矩变化能力的参数指标[10]。可根据发动机外特性曲线的数据进行计算。

2.1.1 发动机扭矩储备系数

发动机转矩储备率的计算公式为

首先，有关部门应当对消费领域的一些“标准”“概念”进行明确统一的界定。比如儿童票到底按什么标准出售？不同行业是否有必要进一步细分？类似需要完善的细节有很多：饭店“加收服务费”的告知该写在什么地方、字号多大？服装退货时“包装须完整”涵盖哪些要素？等等。市场管理者多一些“较真”，不仅可以减少“解释权在商家”导致的消费纠纷，也能培养消费者的守规矩意识，提高买卖双方默契程度，理顺消费流程，提升消费体验。

(1)

式中Memax—标定工况速度特性的最大扭矩(N·m)；

Me—标定功率时的扭矩(N·m)。

根据外特性试验性能测试数据及计算公式可求出168F发动机改造前后的转矩储备系数。原汽油机的扭矩储备系数为

沼气/汽油双燃料电控发动机的扭矩储备系数为

以上计算数据表明：沼气/汽油双燃料发动机的扭矩储备系数比原机大0.6%，说明改装后的双燃料发动机具备了足够的承载能力。

2.1.2 发动机转矩适应性系数

发动机转矩适应系数为

(2)

根据外特性试验性能曲线数据可求出转矩适应性系数，则原机转矩适应性系数为

沼气/汽油双燃料电控发动机的转矩适应性系数为

由此分析比较可见：沼气/汽油双燃料发动机的转矩适应性系数比原机稍大，也就是说改造后的沼气/汽油双燃料发动机输出能满足实际的需要。

2.1.3 输出功率比较分析

在不同负荷工况下，对改进后的发动机进行功率测试，并与原机进行比较。根据试验测得指示功率，绘制相应的输出功率曲线图如图2所示。

由图2可知：在中等负荷及以上时，输出功率都随转速的上升而呈现线性变化趋势，而在小负荷时先随着转速增加后随着转速下降；在全负荷近2 800r/min时，双燃料发动机与原机输出功率相当；在75%负荷时，在转速为1 600r/min时与原机输出功率最接近；在25%小负荷时，与原机相比，双燃料发动机功率下降非常明显，特别是在1 800r/min以上，最大时约下降13.2%，主要是因为空气供给不足，燃料不能完全燃烧。可见，中小负荷时纯汽油发动机的输出功率要比双燃料发动机的大，即中小负荷时沼气/汽油双燃料发动机的功率比原机要有所下降；而在全负荷中等转速时功率输出非常接近原机，在大负荷中低转速时输出功率与原机的几乎一样。

图2 不同负荷时的输出功率

2.2 发动机燃油经济性能分析比较

根据试验测得的燃油消耗率数据及相应的当量燃油消耗的计算公式，计算出相应的燃油消耗率及能耗率并绘制相应的曲线图如图3和图4所示。

图3 不同负荷时的燃油耗率

由图3可知：双燃料发动机的燃油消耗率在大负荷、全负荷时要远远低于原机，最大省油近9.4%；在中等负荷时也低于原机，因这些工况下可掺入沼气燃料从而达到省油的效果；在小负荷低转速时与原机的燃油消耗几乎是一样的，因为在小负荷低转速时，若掺入沼气由于进气量的不足等原因而容易导致发动机失火，因而此时不能掺或掺入的量很少。

图4 不同负荷时的能耗率

由图4可知：在全负荷和大负荷工况下，能耗率随着转速的上升面下降，在一定转速后又随着转速的上升而增加；在中等负荷时，双燃料的能耗率随转速改变变化的不明显，而原机整体上随转速变化呈现上升趋势变化；在小负荷时能耗率都随着转速的变化而呈现上升变化趋势。可见，改进后的双燃料发动机在大负荷、小负荷等不同工况下的能耗率都要比原机高，在中等负荷中高速时的能耗比与原机非常接近，这主要是因为双燃料发动机的输出功率有所下降等原因。

2.3 发动机排放性能分析比较

对不同工况下所测得的排气温度数据进行整理，绘制相应曲线如图5所示。

图5 不同燃料排气温度曲线的比较

由图5可以看出：沼气/汽油双燃料发动机在高负荷及低负荷时的排气温度要高于纯汽油机，在中等负荷时也基本高于原机，在中等负荷高速时排气温度要比纯汽油的低；而在全负荷中速时低于原机，在全负荷高速时其排气温度高于原机近100℃。这说明双燃料发动机在高负荷时，燃料应能充分地燃烧可放出大量的热能。

用尾气分析仪测试发动机的排放性能，在稳定发动机转速为2 800r/min,对不同负荷下的排放物含量测试，根据测得的数据绘制排放特性图如图6所示。

图6 不同负荷时的排放物比较

由图6可知：沼气/汽油双燃料时发动机排放的HC、CO及NOX化合物都有所下降，改进后的纯汽油工作模式时与双燃料时的排放性能很接近，而HC排放在全负荷时的下降不太明显。其中，HC和CO在中小负荷时比原机下降得较多，而当到大负荷时也有所下降；NOX在中等负荷时下降很大。这与在中小负荷时的设置的以经济性和排放性为主要控制目标有关。在大负荷时，3种排放都下降得比较小，主要是因为在大负荷时，喷的燃料较多，形成的混合气较浓，而导致一些燃料不完全燃烧的结果。

3 结论

1)双燃料发动机，输出功率略有下降，其动力性能非常接近于原机。168F型汽油机改造成的沼气/汽油双燃料发动机的转矩适应性系数比原机大0.6%，转矩适应性系数比原机稍大，有足够的承载能力。在自行设计的电控单元控制下，在全负荷近2 800r/min时双燃料发动机与原机输出功率相当；在小负荷时，在1 800r/min以上，输出功率最大时约下降13.2%，其他工况下输出功率接近原机。

2)沼气/汽油双燃料发动机在高负荷及低负荷时的排气温度要高于纯汽油机，在中等负荷时也基本高于原机，燃料燃烧较完全；而在全负荷中速时低于原机，在全负荷高速时其排气温度高于原机近100℃。

3)双燃料发动机的燃油消耗率在大负荷、全负荷时要远远低于原机，最大省油近9.4%，在中等负荷时也低于原机。即整体上，当量燃油消耗率下降，能耗率上升，即经济性能明显提高，能达到节能效果。

4)沼气/汽油双燃料时发动机排气温度基本上高于纯汽油机，其排放的HC、CO及NOX化合物都有所下降，HC和CO在中小负荷时比原机下降得较多，NOX在中等负荷时下降很大，环保方面明显改善。

参考文献：

[1] 汤建华.加快沼气开发、发展沼气工程[C]//沼气产业化发展研讨会,2011.

[2] Bhaskor J Bora，Ujjwal K Saha.Experimental evaluation of a rice bran biodiesel-biogas run dual fuel diesel engine at varying compression ratios[J].Renewable Energy, 2016，87(1):782-790.

[3] J Bora, Ujjwal K Saha.Optimisation of injection timing and compression ratio of a raw biogas powered dual fuel diesel engine[J].Applied Thermal Engineering, 2016,92(5)：111-121.

[4] 李丽丽,赵武云.高原地区小型沼气_柴油双燃料发动机的设计[J].农业装备与车辆工程，2015(4)：1-5.

[5] 准庆，张欣.模拟沼气发动机掺氢燃烧的试验研究[J].内燃机学报，2010(1)：47-52.

[6] 李民，章雪强.小型沼气—柴油双燃料发电技术探讨[J].可再生能源，2006(4)：84-86.

[7] 王建,刘胜吉.进气道优化改善168F汽油机性能的研究[J].小型内燃机与摩托车,2008(12):12-14.

[8] 王建,刘胜吉.小型通用汽油机排放的研究[J].农业工程学报，2009(6)：131-135.

[9] 刘胜吉，韩维维.电控168F汽油机燃烧与排放特性分析[J].车用发动机,2016(2):58-62.

[10] Martyr A，Plint M.Engine Testing Theory and practice[M].London：Butterworth and Heinemann，2007．